煤巖破裂過程固氣耦合數(shù)值試驗.pdf

1、含瓦斯煤巖的變形破壞過程，是一個極其復(fù)雜和極富挑戰(zhàn)的研究課題，是力學(xué)、材料和工程等學(xué)科的研究熱點和難點之一。由含瓦斯煤巖破壞而導(dǎo)致的煤與瓦斯突出，是煤炭開采過程中一種復(fù)雜的工程誘發(fā)災(zāi)害，是保證煤礦安全正常生產(chǎn)和礦業(yè)發(fā)展亟待解決的重大問題。因此，作為含瓦斯煤巖突出機理研究的理論基礎(chǔ)，研究含瓦斯煤巖破裂過程中瓦斯氣體與煤巖固體的耦合作用機理，對于人們進一步深入認識含瓦斯煤巖的突出機理、煤層瓦斯抽放機理并進而采取相應(yīng)的防治措施等具有重要的理論

2、意義和工程實用價值。 實驗室試驗和現(xiàn)場測試作為研究含瓦斯煤巖破壞過程最為直接的手段，為促進其破壞過程的研究發(fā)展起了決定性作用。然而，由于受人力、物力、財力和安全等因素的制約，含瓦斯煤巖的破壞試驗和現(xiàn)場測試工作往往受到限制。理論解析通過對材料進行簡化，運用數(shù)學(xué)和力學(xué)等研究方法，對其破壞過程的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系及誘發(fā)的聲發(fā)射等進行解析，為研究含瓦斯煤巖的破壞過程提供了重要途徑。然而，限于目前數(shù)學(xué)、力學(xué)等的發(fā)展水平，解析方法還難以解析煤巖

3、材料內(nèi)部微破裂之間以及煤巖破裂過程中瓦斯氣體與煤巖固體的耦合作用問題。數(shù)值方法為研究含瓦斯煤巖的破壞過程提供了重要手段。基于煤巖材料的細觀結(jié)構(gòu)特征和細觀基元的本構(gòu)關(guān)系，將統(tǒng)計隨機分布理論和計算力學(xué)相結(jié)合，可實現(xiàn)對含瓦斯煤巖破壞的全過程分析；細觀損傷力學(xué)由于對材料的“損傷”賦予了真實的幾何形象和具有力學(xué)意義的損傷演化方程，為研究煤巖材料的破壞過程提供了力學(xué)理論基礎(chǔ)；而煤層瓦斯?jié)B流力學(xué)理論的迅猛發(fā)展又可實現(xiàn)對煤巖變形破裂過程中煤層瓦斯流動的

4、仿真模擬。此外，計算機硬件及計算力學(xué)的飛速發(fā)展，為從細觀結(jié)構(gòu)層次上研究含瓦斯煤巖固體材料的破壞過程提供了強有力的數(shù)值計算工具。 為此，本文首先從煤巖材料的細觀結(jié)構(gòu)和滲流特征出發(fā)，采用Weibull隨機統(tǒng)計分布理論引入材料的非均勻性，提出了細觀基元的彈性損傷本構(gòu)關(guān)系，同時，考慮煤巖損傷演化過程中透氣性的變化，引入煤巖透氣系數(shù)-應(yīng)力作用方程，在此基礎(chǔ)上，考慮煤巖損傷過程的時間因素影響，引入細觀基元蠕變損傷本構(gòu)方程，建立了考慮流變效應(yīng)

5、的煤巖破裂過程固氣耦合作用RFPA2D-Flow數(shù)值模型，給出了耦合模型的有限元數(shù)值解法，并分別從煤巖破裂過程和瓦斯流動過程兩方面對模型進行了模擬驗證。 其次，應(yīng)用巖石破裂固氣耦合RFPA2D-Flow數(shù)值系統(tǒng)對含瓦斯煤巖的基本力學(xué)性質(zhì)(包括變形性質(zhì)、強度性質(zhì)、非均勻性特點、流變性質(zhì)和滲流性質(zhì)等)進行了數(shù)值試驗研究，分析了含瓦斯煤巖試件破裂過程中的圍壓效應(yīng)、孔隙壓力效應(yīng)、卸荷效應(yīng)等，含瓦斯煤巖試樣在常應(yīng)力水平作用下的蠕變損傷破壞

6、和含瓦斯煤巖試件在應(yīng)力作用下的透氣性變化規(guī)律。 此外，對石門揭煤誘發(fā)的煤與瓦斯突出、煤層巷道掘進誘發(fā)的上山突出以及石門爆破掘進過程中發(fā)生的延期突出從裂紋誘發(fā)、擴展、貫通到拋出的突出全過程進行了系統(tǒng)的模擬研究，分析了地應(yīng)力、瓦斯壓力以及煤巖力學(xué)性質(zhì)等綜合作用下誘發(fā)煤巖突出破裂過程中應(yīng)力場、變形場、滲流場以及微震場的演化過程，并對抽放作用下煤層瓦斯的流動過程以及通過瓦斯抽放防治瓦斯突出的機理進行了基礎(chǔ)性模擬研究。 最后，應(yīng)用